区域输电阻塞对碳排放核算的隐性影响：基于PJM与ERCOT市场的实证分析

《Cell Reports Sustainability》：Carbon impact of intra-regional transmission congestion

本研究针对当前碳核算框架忽略电网区域内部输电阻塞的问题，以美国PJM和ERCOT电网为对象，通过节点边际排放因子（LME）量化了阻塞对碳排放的实际影响。结果表明，近半数可再生能源因阻塞无法有效输送，导致“小时级匹配”碳核算方法严重高估减排效果。研究呼吁将阻塞效应纳入政策设计（如氢能税收抵免45V），对推动精准 decarbonization 具有重要意义。

　　

随着全球能源转型加速，风电、光伏等可再生能源装机量激增，但电网基础设施升级滞后导致输电阻塞日益严重。当前碳核算政策（如温室气体协议GHG Protocol）普遍假设同一电网区域内电力可自由输送，忽略物理约束对碳排放的隐性影响。这种“理想化”模型可能导致清洁能源投资无法实现预期减排效果，甚至加剧电网拥堵。

为揭示阻塞对碳核算的扭曲效应，Sarah E. Sofia与Yury Dvorkin在《Cell Reports Sustainability》发表研究，基于2019–2023年PJM（美国最大区域输电组织之一）和ERCOT（德州电力可靠性委员会）的高分辨率节点边际排放因子（Locational Marginal Emissions, LME）数据，首次系统性量化了区域内部阻塞对碳排放的影响。研究指出，阻塞导致可再生能源在偏远地区“搁浅”，而负荷中心仍需依赖化石能源供电，使得即使实现100%小时级匹配的清洁电力采购，仍可能产生显著净排放。

关键技术方法

研究依托两大核心数据源：

1. 1.
   节点边际排放因子（LME）计算：通过电网调度模型与公开数据（如EIA-923排放报告、EPA燃料排放因子），结合线路潮流约束的阴影碳强度（shadow carbon intensity），分解LME为能源、损耗与阻塞组分（LME = LME_e+ LME_l+ LME_c）。
2. 2.
   可再生能源发电建模：ERCOT采用实际运行数据（SCED基础点与最大可持续出力HSL），PJM基于气象数据与机组特性模拟风电、光伏小时级出力，并通过EIA月度报告校正。

研究结果

1. 阻塞对排放的整体影响

通过计算ERCOT的“阻塞碳租金”（congestion carbon rent）发现，2019–2022年因阻塞导致的额外碳排放增长近一倍，2022年达约1000万吨CO₂，相当于ERCOT总排放的3%。这表明缓解阻塞可带来显著减排潜力。

3变化影响边际排放'>

2. 区域内部排放率差异

2023年PJM内部县域平均LME差异近2倍（如弗吉尼亚州负荷边际排放比北伊利诺伊州高50%），ERCOT西区与休斯顿负荷中心LME差值可达300 kg CO₂/MWh。叠加互联队列数据发现，当前规划中的可再生能源项目仍集中于高阻塞区域，可能进一步恶化拥堵。

3. 可再生能源可输送性限制

以10 kg CO₂/MWh（对应氢能45V税收抵免阈值）为临界点，ERCOT近49.6%的风光发电无法有效输送至休斯顿负荷；PJM中68%的清洁电力对弗吉尼亚负荷中心不可达。主要阻塞热点包括ERCOT西区风电外送通道与PJM北伊利诺伊至东部负荷区的输电瓶颈。

4. 碳核算方法有效性评估

以弗吉尼亚数据中心为例，小时级匹配的“无碳能源”（CFE）指标平均高估实际减排效果34%（相对值100%）。若采购北伊利诺伊州风电，净排放达172 kg CO₂/MWh，而相同容量选址于弗吉尼亚本地可实现净零排放。

5. 氢能案例的政策启示

假设休斯顿电解槽（效率50 kWh/kg H₂）严格遵循45V小时匹配要求，采购西德州风电时净排放可达10 kg CO₂/kg H₂（超标20倍），而本地光伏项目可实现近零排放。表明现行政策可能激励高排放项目合规化。

结论与讨论

本研究实证揭示了区域输电阻塞对碳核算的颠覆性影响：

• •
  理论层面：挑战了“电网区域等同性”假设，提出LME空间差异应作为碳核算核心指标；
• •
  政策层面：指出当前小时级匹配框架（如GHG Protocol修订案、45V氢能抵免）需引入阻塞感知机制，优先支持负荷侧就近消纳与输电升级；
• •
  实践层面：为企业采购（如数据中心、绿氢项目）提供选址优化依据，避免“绿色投资”沦为“棕色排放”。

未来需将阻塞效应纳入长期电网规划与动态碳核算体系，否则可再生能源高速部署可能因“最后一英里”阻塞问题延缓碳中和进程。